《太阳辐射与光伏》-第七章

7.1带离网、并网切换的工业设计光伏系统

带离网、并网切换的光伏系统又可称为光伏微网系统或智能光伏微网系统,可包含光伏发电在内的多种可再生能源,利用储能与控制装置进行实时的能源调节,实现局部网络的电力能源平衡,可以并网运行也可离网运行。中国国家电网公司给智能电网的定义是:以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的电网为基础,利用先进的通信、信息和控制技术,构建以信息化、自动化、互动化为特征的智能化电网。我国智能电网的基本特征是在电网技术上要实现信息化、自动化、互动化。下一页返回7.1带离网、并网切换的工业设计光伏系统

智能电网是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标,其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。智能电网的功能特点主要包括以下几点:可观性、可控性、灵活性、开放性、安全性、自愈性、预测性、快速性、互动性、全局性、协调性、经济性等。上一页下一页返回7.1带离网、并网切换的工业设计光伏系统

7.1.1智能光伏微网系统常见工作模式为满足不同用户需求,光伏微网系统有多种工作模式,常见的如以下几种。1.PV交流并接该工作模式的核心器件为双向光伏逆变器,并网逆变器连接在由双向逆变器输出电网的交流母线上,识别这个由双向逆变器产生的电网并进行并网馈电。图7-1所示为PV交流并接。通常情况下,并网逆变器的发电首先被负载消耗,多余的能量通过AC-DC转换方式双向逆变器给蓄电池充电。对于并网逆变器的控制非常简单,无须设备之间进行通信。双向逆变器决定其输出电网的电压和频率,根据并网逆变器发电、负载耗能和蓄电池储能之间的平衡,通过改变电网频率,调节并网逆变器输出功率来保证蓄电池充满,避免过充。上一页下一页返回7.1带离网、并网切换的工业设计光伏系统

2.PV直流并接该工作模式中,双向光伏逆变器处于系统中心,所有的可再生能量源并接在直流侧(储能系统端)。光伏组件发电首先被逆变供给负载,多余能量以DC-DC转换方式给蓄电池充电。图7-2所示为PV直流并接上述两种总线模式的特性如下:对于居民社区供电,以晚间负荷为主,直流并接效率更加理想。如果白天负荷多,交流并接更加合适;采用并网逆变器,构建交流微网系统。在纯离网光伏系统中,存在一定的隐患,即如果蓄电池放电保护,双向逆变器将无法输出电网信号,并网逆变器无法捕捉电网信号也就导致不能并网发电。直流并接,则没有这个问题;MPPT控制器的每瓦成本要低于并网逆变器。上一页下一页返回7.1带离网、并网切换的工业设计光伏系统

3.PV交流并接+PV直流并接该工作模式是上述两种工作模式的结合,该工作模式能够综合上述两种工作模式的优点,实现更加灵活与更有效率的能量管理与平衡。光伏组件采用直流和交流并接的系统,是目前可再生能源偏远地区电气化系统的最佳选择,可大大提高负载全天用电的效率。如果白天用电量大,选择交流并接方式,太阳能发电利用效率最佳。如果以使用蓄电池能量为主(比如晚上用电量大),直流并接效率更佳。图7-3

所示为PV交流并接+PV直流并接。上一页下一页返回7.1带离网、并网切换的工业设计光伏系统

智能光伏微网系统可为学校、社区、医院、商场、工厂、公共设施、农村、海岛等提供高质量绿色电源,整合了分布式自然变动电源和配电网之间的关系,削弱了分布式电源对电网的影响,推动太阳光伏发电上网,降低大电网的负担,改善供电可靠性和安全性,促进太阳光伏发电的规模化应用,对于开发和高效利用太阳能光伏发电具有积极的推动作用。上一页下一页返回7.1带离网、并网切换的工业设计光伏系统

7.1.2案例分析案例一:瓦努阿图桑托岛庄园228.8kWp光伏发电项目。本项目位于大洋洲瓦努阿图共和国(theRepublicofVanuatu)桑托岛(Santo)鲨鱼湾(SharkBay)附近的伟基桑托海湾庄园,地理坐标为15.25°S,167.13°E,项目共计安装总容量为228.8kWp,采用260Wp多晶硅光伏组件(1650×992×40mm)880块,安装于伟基集团瓦努阿图桑托岛庄园内,光伏系统以22个光伏组件为一串,光伏组件朝北,安装倾角为10°。图7-4所示为本项目光伏发电系统原理框图。上一页下一页返回7.1带离网、并网切换的工业设计光伏系统

案例二:深圳市科陆电子宝龙工业区432.7kWp光伏发电项目。本项目位于广东深圳,地理坐标为22°41′N,114°16′E。科陆电子厂房四屋顶设计安装245Wp多晶硅光伏组件共计1620块,容量为400575Wp;单晶硅260Wp光伏组件60块,容量为15.6kWp;非晶硅100Wp光伏组件156块,容量为15.6kWp,合计系统总装机容量为428.1kWp。图7-5所示为该项目的系统原理图。所发电量优先被厂区负载消耗,夜间时,负载由市电供电。当市电存在时,光伏系统为并网运行模式;当系统断电时,并网柜自动切断外部电网连接,系统运行在孤岛模式,给特定负载供电(1#厂房的照明供电)。上一页返回7.2可离网、市电供电切换的家用设计光伏系统

这是一件已获国家专利局授权的发明专利,题为:一种家用离网光伏发电系统。图7-6所示为其中可选的较佳实施案例电路结构,组成部分相当简洁而高效。最终完成时,整套系统可安装在常规家用的电箱导轨内,施工方便。如图7-6所示,该切换开关同样可以方便地安装在标准Din导轨家庭配电箱内,电路结构性能更完善,定位更准确,适用于对切换速度有更高要求的用户群体。市电漏电断路器421包括第一触点N1和第二触点N2,均为常开触点。所述断路器辅助触点NC422包括第三触点N3和第四触点N4,均为常闭辅助触点。逆变器漏电断路器423包括第五触点N5和第六触点N6,均为常开触点。下一页返回7.2可离网、市电供电切换的家用设计光伏系统

所述导轨式交流接触器424包括第一线圈KM1、第二线圈KM2、第七触点N7、第八触点N8、第九触点N9、第十触点N10、第十一触点N11、第十二触点N12、第十三触点N13、光伏指示灯电路4241和市电指示灯电路4242。其中,第七触点N7和第八触点N8为第一线圈KM1的主触点(常闭),第九触点N9和第十触点N10为第一线圈KM1的辅触点(常开),第十一触点N11和第十二触点N12为第二线圈KM2的主触点(常开),第十三触点N13为第二线圈KM2的辅触点(常开)。上一页下一页返回7.2可离网、市电供电切换的家用设计光伏系统

第一触点N1的一端连接市电的零线N,另一端通过第七触点N7连接空开单元的No端、第九触点N9的一端和第十一触点N11的一端。一端连接市电的火线L,第二触点N2的另一端通过第八触点N8连接空开单元的Lo端。第一线圈KM1的一端通过第三触点N3连接第四触点N4的一端、导轨式电能表的Lout端和第十二触点N12的一端,第十三触点N13与第三触点N3并联。第一线圈KM1的另一端连接第十一触点N11的另一端、第二线圈KM2的一端、光伏指示灯电路和导轨式电能表的Nout端。第二线圈KM2的另一端连接光伏指示灯电路,还通过第十触点N10连接第四触点N4的另一端。第九触点N9的另一端连接市电指示灯电路,第十二触点N12的另一端连接市电指示灯电路和空开单元的Lo端。导轨式电能表的Lin端通过第五触点N5连接离网正弦波逆变器的Lb端,导轨式电能表的Nin端通过第六触点N6连接离网正弦波逆变器的Nb端。上一页下一页返回7.2可离网、市电供电切换的家用设计光伏系统

图7-6中虚线相连的触点同时开闭。其中,第一触点N1、第二触点N2、第三触点N3和第四触点N4基本上同时动作,如第一触点N1与第二触点N2闭合时,第三触点N3和第四触点N4相隔很短的时间后打开。第七触点N7与第八触点N8同时开闭,第十一触点N11与第十二触点N12同时开闭。光伏指示灯电路4241有电流流过时,即离网正弦波逆变器41供电时,光伏指示灯电路4241内置能发出蓝光的LED灯被点亮。市电指示灯电路4242有电流流过时,即市电供电时,市电指示灯电路4242内置的能发出红光的LED灯被点亮。这样用户即可根据LED灯发光的颜色了解当前对交流负载供电的是市电还是蓄电池组。上一页下一页返回7.2可离网、市电供电切换的家用设计光伏系统

图7-6有相当全面而完善的保护功能,而且只需增加两个小元件即可很好地实现手动和全自动的切换功能:一个用于自动/手动选择切换的开关;另一个带有2NC触点的市电检测继电器(接在421和424之间),用于模拟人手操作421时对422辅助触点的动作。按新增的两个元件搭成的切换系统在实际运行测试时发现,若选择自动运行状态,在市电重新供电和断开市电多次反复的自动切换过程中,连接到系统所配紧急供电插座上的台式电脑一直保持连续稳定运行,没有出现任何异样。关于能耗方面,图7-6在市电接入并设置为手动运行状态时,双电源切换装置的总耗电几乎为0,主要为红色指示灯电路,典型值为0.02W;图7-6在市电接入并设置为自动运行状态时,双电源切换装置总耗电基本上为市电检测继电器的线圈耗电,典型值小于0.5W。上一页返回7.3相关的几件国家专利

7.3.1一种光伏组件的现场测试仪图7-7所示为一种光伏组件的现场测试仪。这件专利的产生,出自在数年前中山翠亨村屋顶光伏电站竣工前的检测。本实用新型专利公开了一种光伏组件的现场测试仪,与待测的光伏组件和电压表连接,现场测试仪包括标准组件、磁电系直流安培表、磁电系直流毫安表和电子负载模块,光伏组件通过磁电系直流安培表连接电子负载模块,标准组件连接磁电系直流毫安表;通过电子负载模块将光伏组件的电能输入供电,控制光伏组件的输出电流在第一预设时间内上升为短路电流,使短路电流保持第二预设时间后降低至零,由磁电系直流安培表检测光伏组件的短路电流,磁电系直流毫安表检测标准组件的太阳辐射强度相对值,测试过程中不会出现可察觉的直流电弧,即使太阳辐射度阈值明显下降也能正常完成测试。本专利充分利用被测的光伏组件供电,减少了电池成本且更加节能环保。下一页返回7.3相关的几件国家专利

与现有技术相比本实用新型专利光伏组件的现场测试仪具有以下有益效果:(1)采用被测的光伏组件对整个现场测试仪供电,无须内置电池并涉及相关供电电路,也无须外接电源供电,省去了充电的维护流程及充电时间,可随时立即投入使用;同时,由于无须使用电池,减少了电池成本且更加节能环保。(2)在一体化方案中,通过增加标准组件和磁电系直流毫安表,使现场测试仪工作时对太阳辐射度的起动测量阈值要求较低,而且太阳辐射度的缓慢波动也基本不影响现场测量结果的判断。上述现场测试仪在太阳辐射强度达到或超过500W/m2时可以非常理想地工作,低至200W/m2以下时仍可坚持进行测量与判断(此时需要承担的风险是:测量的相对误差相应地会有所上升)。上一页下一页返回7.3相关的几件国家专利

另外,当太阳辐射度有缓慢变化时,由于磁电系直流安培表与磁电系直流毫安表的指针会同步缓慢变化,具有一定经验或经过训练的运维人员可以较好地应对这一状态并可做出较为可信的数据读取。(3)根据一体化方案生产的现场测试仪体积较小、质量较轻,不需做任何现场参数设置,连现场测试仪的电源开关都无须配备,运行起来相当轻松,大大方便了电站运维人员的现场操作。在实际使用时,光伏组件的正、负极插入现场测试仪的光伏接入端子MC4中,等待预备指示灯点亮,然后按下启动按钮即可自动测试,电站运维人员只需观察仪表的指针变化即可。对有经验或经过一定培训的运维人员,甚至可依据磁电系直流安培表在一次连续测量过程中指针动态摆动的细微变化规律,在一定程度上判读光伏组件的实际工作扫描特性。上一页下一页返回7.3相关的几件国家专利

(4)进行短路电流Isc测量时,光伏组件的输出电流是在一个可控时间内从零快速上升并最终稳定在Isc状态。在太阳辐射不变的情况下,Isc测量值将自动保持5~8s不变,具体保持的时间长度可在出厂前通过电路参数进行设置。采用这种方式可确保整个测试工作过程中完全不会出现可察觉的直流电弧。(5)可以非常方便且安全地实现基本的开路电压Uoc、短路电流Isc等参数的测量。同时,由于所述现场测试仪是在真实的自然阳光下对光伏组件的输出进行测量,与采用人造模拟光源设计的I-V测试仪相比较,其测试结果更为可信、有效和真实。该测试仪虽然相对简单,但对常规的施工运维现场而言已经有着较好的支持度。上一页下一页返回7.3相关的几件国家专利

7.3.2一种太阳能光伏微波炉本发明专利公开了一种太阳能光伏微波炉,包括用于将光能转换为电能的薄膜电池太阳伞,与薄膜电池太阳伞连接的充电保护电路,与充电保护电路连接的带过放保护功能的锂电池以及直流微波炉。锂电池与直流微波炉线路连接,如图7-8所示。其实现了功率最大化的功能,降低了能耗,同时方便用户携带与使用,尤其适合自驾游等人群,拓展了微波炉的应用空间。本发明专利太阳能光伏微波炉可用于户外脱离市电的独立使用,如房车休闲旅游等,可提高人民生活品质,还可通过外接的正弦波逆变器为笔记本电脑等常规用电器供电,并且本发明专利内置锂电池可快速拆卸,用于汽车的紧急启动。上一页下一页返回7.3相关的几件国家专利

本发明专利的太阳能光伏微波炉还带有一定程度的太阳辐射资源预测能力。结合内置锂电池的剩余电量测算,能够自行迅速评估微波炉每一功率挡位的“理想最大操作时长”,并可结合太阳辐射资源的预测数据给出该次评估的信心指数,并可以合理提示用户当前太阳能转化成的电量,以及微波炉合适的挡位,以使本发明专利的微波炉达到最佳工作状态,并且更智能化。通过合理的光伏组件装机容量,配合太阳辐射资源预测,本发明专利太阳能光伏微波炉可实现户外独立的连续长时间工作。上一页返回7.4智能光伏电网发展展望

7.4.1智能光伏电网发展现状欧美各国对智能电网的研究开展较早,且已经形成强大的研究群体。英国、瑞典均在积极规划推动智能电网,意大利及美国已率先试行。由于各国的具体情况不同,其智能电网的建设动因和关注点也存在差异。美国主要关注电力网络基础架构的升级更新,最大限度地利用信息技术,实现系统智能对人工的替代。欧洲大力开发可再生能源、清洁能源,电力需求趋于饱和后提高供电可靠性和电能质量等需求,其未来电网向着智能/分散/自主发电和高度集成的网络管理方向发展。下一页返回7.4智能光伏电网发展展望

虽然我国还没有从国家层面制定智能电网的发展战略,但在很多方面的研究成果已经为发展智能电网奠定了一定的基础。华东公司建设智能电网呈现的特点为:规划以自愈为目标的智能电网;实现智能化调度;新型材料和智能设备的全面使用;可再生能源的友好接入;实现与用户的智能互动。国家已启动多项863高技术研究发展计划项目,在“十一五”期间,在三大先进能源技术领域设立重大项目和重点项目,包括:以煤气化为基础的多联产示范工程,MW级并网光伏电站系统,太阳能热发电技术及系统示范等。上一页下一页返回7.4智能光伏电网发展展望

7.4.2智能光伏电网发展前景就智能电网来说,其未来发展方向主要体现在以下方面。首先,分布协调。它主要以MAS(Multi-AgentSystem)为首要前提,并以该技术为中心构建成具有特殊功能的Agnet系统,能够为构建综合性的系统做好铺垫,具有鲜明的“超规模、光分布、强适应”特点。在此基础上,该系统可以有效操作、连接不同系统间的功能,优化利用各项电网资源。其次,分布形式的能源系统。它主要包含了以下几个方面的内容,即发电、储能、需求提供能源。上一页下一页返回7.4智能光伏电网发展展望

就需求提供能源来说,主要是指在智能电网作用下,快速集成用户客观需求资源,可以在不同情况下协调配置电能客观需求,但必须以DSB市场多元化的功能、软件、技术作为重要的条件,才能更好地实现自身多样化功能。最后,还需要不断开发、利用便捷的仿真决策技术,为智能电网的各方面提供关键性的数据信息,比如,智能电网的运行、调度。此外,实现具有综合决策功能的运行系统,能够在最短的时间内从海量数据信息中准确找到用于决策中的重要参考信息数据,确保运营者、管理者科学决策。上一页下一页返回7.4智能光伏电网发展展望

分布式光伏发电与智能微电网相结合形成的智能光伏电网具有广泛的适应性与可行性,目前已广泛应用于单体建筑、工业厂区、居民社区以及乡镇县、工业园区甚至省市,既有农村,也有城市、海岛。结合智能光伏电网相关的技术资料,本书总结了智能光伏电站未来主要发展以下几种技术:(1)光伏发电与热利用技术。光伏技术方面,晶体硅电池、薄膜电池可能长期并存,微线矩阵电池、全光谱吸收电池等新型电池技术有望进一步提高光伏电池效率、减少材料用量